Piezoresistive Sensorelemente für die Messung von Druck, Kraft oder Dehnung

CiS Forschungsinstitut für Mikrosensorik GmbH
Quelle: Aufgeglaster Silizium-Dehnmessstreifen auf Stahl
31.01.2018
In der Medizintechnik werden hohe Präzision, Stabilität und Zuverlässigkeit gefordert. Das Prinzip der piezoresistiven Drucksensorchips des CiS Forschungsinstitut für Mikrosensorik GmbH kann jetzt zur Kraftmessung in Silizium-Dehnmessstreifen genutzt werden.

Die dehnungsempfindlichen Widerstände werden dabei als Wheatstonesche Messbrücke in hauchdünne Chips monolithisch integriert. Mit den entwickelten Sensortechnologien möchte das Thüringer Forschungsinstitut Unternehmen in deren Produktentwicklung unterstützen, beispielsweise bei haptischen Kathetern in chirurgischen Instrumenten oder bei Kraftsensoren für die Zahnmedizin oder Dosierpumpen in der Infusions- und Dialysetechnik.
 
Die verwendeten Halbleitertechnologien sorgen für eine hohe Langzeitstabilität, Auflösung und Messsicherheit. Über das Chipdesign kann die Querdehnungsempfindlichkeit erheblich reduziert werden. Das erweist sich als Vorteil, wenn mechanische Spannungen in einem Messobjekt analysiert werden müssen. Soll ein Sensor auch hohen Temperaturen standhalten, wird statt Silizium ein sogenanntes Silicon-on-Insulator-Substrat für die Herstellung verwendet. Funktion und Zuverlässigkeit des Mikrochips sind dann auch bei Temperaturen bis 300°C erreichbar. 
 
Die nur 0,5 mm x 0,5 mm x 0,015 mm kleinen DMS-Chips werden nach dem Vereinzeln per Pick & Place und auf die Anwendung zugeschnittenen Fügetechniken mit dem elastischen Verformungskörper, wie z.B. Edelstahl, Titan oder Aluminium, verbunden. Klassische Klebeverfahren sind in der Medizintechnik häufig nicht nutzbar, da die dafür verwendeten Fügematerialien temperatur- und feuchteempfindlich sind und somit die Stabilität des elektrischen Signals beeinflusst wird.

Das CiS führt die notwendigen Tests zum thermischen Verhalten der Materialkomponenten und der Zuverlässigkeit und Langzeitstabilität durch. Die Auswahl des geeigneten Verfahrens hängt von den Anforderungen an das Messsystem und den Bedingungen am Messort ab. Montagetechnologien wie das Aufglasen, das Silber-Sintern oder Fügen auf Basis von reaktiven Multischichtsystemen sind hier wegweisend. 
 
Kontakt: Uta Neuhaus, CiS Forschungsinstitut für Mikrosensorik GmbH